本文關(guān)鍵詞： 微型超級電容器 碳納米管 離子交換法 柔性電子學(xué) 紙基電子器件 聚酰亞胺　出處：《華東師范大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：最近,便攜式和可穿戴電子設(shè)備成為了柔性電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。其中小尺寸、低成本的柔性傳感器芯片可用于醫(yī)療、物流、氣候檢測等多種領(lǐng)域。為了使大量傳感器構(gòu)成的系統(tǒng)能夠長期、有效工作,傳感器需要配備高功率/能量密度的微型化能源。因此,微型能源器件成為微型傳感系統(tǒng)研究的核心問題之一。相比微電池而言,微型超級電容器具有更高的功率密度和更長的使用壽命。圍繞著微型超級電容器應(yīng)用的新工藝和新材料,學(xué)界已經(jīng)展開了大量的研究。本文以柔性超級電容器為研究對象,結(jié)合表面修飾離子交換金屬化(SMIE)等工藝,研究了聚合物襯底和紙基襯底上高性能超級電容器的制備和機理。本文研究內(nèi)容如下:第一,對柔性超級電容器的研究現(xiàn)狀、工作原理、測試理論、計算方法以及表征手段進行了詳細的探討;結(jié)合W.Othuis電池常數(shù)方程和B.E.Conway的電化學(xué)模型,建立了微型超級電容器的模擬公式;通過對循環(huán)伏安曲線的模擬,詳細討論了器件幾何參數(shù)、比電容、集流體內(nèi)阻等各種因素對其電化學(xué)行為的影響,為超級電容器的設(shè)計提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于特征放電電壓線性關(guān)系的評估方法。第二,在柔性聚酰亞胺表面,采用SMIE技術(shù),結(jié)合干膜、噴墨打印等圖形化技術(shù),在室溫條件下,制備了微型超級電容器。器件是采用叉指電極的全固態(tài)薄膜結(jié)構(gòu),由室溫SMIE技術(shù)制備的銀層充當(dāng)集流體而多壁碳納米管(MWNTs)作為活性材料。采用PVA/H3P04固態(tài)電解質(zhì),柔性微型超級電容器的比電容達到2.64 mF cm~(-2),可以在掃描速度200 V s~(-1)下工作,能量密度和功率密度分別達到0.001Wh cm~(-3)和57.8 W cm~(-3)。此外,器件具有很好的電化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性,可以承受15000次循環(huán)充放電和16000次力學(xué)彎曲,性能無明顯下降。結(jié)合理論模型,討論了微型超級電容器的工作機理。第三,創(chuàng)新性地提出了 SMIE技術(shù)結(jié)合浸鍍工藝制備Ag@Au(AOA)柔性電極,以替代微型超級電容器中常用的金集流體。相比SMIE技術(shù)制備的銀電極,AOA同樣具有高柔性,但是具有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和更好的抵抗電化學(xué)過程侵蝕的能力。研究了 AOA電極組成的平板式超級電容器,其比電容達到5.7mF cm~(-2)。利用電化學(xué)阻抗譜測得電容器最大相角為-75°、特征頻率為3 Hz。采用簡單的刀片切割方法,獲得電極間隙為50 μm的AOA微型超級電容器。該超級電容器在經(jīng)歷15000次循環(huán)充放電后,比電容數(shù)值上僅損失3.5%。本研究為大規(guī)模制備高性能、高穩(wěn)定性的柔性集流體提供了一種解決方法。第四,探索了聚酰亞胺酸在制備微型超級電容器電極中的應(yīng)用。采用光刻方法,結(jié)合低溫溶液方法的SMIE技術(shù),獲得了最小線寬在10 μm的銀電極。提出兩種生長模型,詳細討論了電極金屬化機理。采用電鍍方法,進一步增強銀化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明,基于聚酰亞胺酸所制備的銀膜,表面積為純銀片的310%-450%;隨著電鍍時間的增加,電極表面積逐漸降低為150%-290%。制備了微型超級電容器,并系統(tǒng)分析了其充放電特性。本研究為SMIE技術(shù)以及在超級電容器中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)方案。第五,研究了基于鉛筆石墨的全干法工藝,制備了紙基超級電容器。提出將鉛筆石墨與MWNTs通過機械方法直接組裝成graphite@MWNT復(fù)合結(jié)構(gòu)的方案,分析了石墨與碳管的結(jié)合方式。采用不同的graphite@MWNT復(fù)合結(jié)構(gòu)作為電極,創(chuàng)新性地制備了 graphite@MWNT/紙/graphite@MWNT三明治式的紙基集成超級電容器。紙不僅充當(dāng)襯底,而且用作超級電容器的隔膜。所制備的紙基電容器比電容為13.2 mF cm~(-2),可以在150 V s~(-1)的充放電速度下工作,功率密度高達15.1 W cm~(-3),是目前文獻所報道的紙基超級電容器中最高的。制備的超級電容器,可以驅(qū)動LED發(fā)光和藍牙傳感器系統(tǒng)工作。論文也研究了將該技術(shù)與MnO2、石墨烯等材料結(jié)合,以拓展該技術(shù)在新型能源器件中應(yīng)用的可能性。作為總結(jié),該論文圍繞低成本、可集成的微型能源器件展開,研究結(jié)果可以為今后柔性電子應(yīng)用突破提供新的視野。
[Abstract]:In this paper , the preparation and mechanism of high - performance supercapacitors on polymer substrates and paper - based substrates have been studied by using flexible super capacitor as the research object and the electrochemical model of surface modified ion exchange metalization ( SMIE ) . A micro - super capacitor is prepared by using different graphite @ MWNT composite structure as an electrode . The results show that the electrode surface area is about 310 % -450 % of the pure silver film . The results show that the electrode surface area is about 150 % -290 % . The paper also studies the application of the technology in the preparation of high performance and high stability flexible current collector .

【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM53

【參考文獻】

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本文編號：1465069